阅读说明：本技术 一种液化天然气动力船液化天然气冷能梯级利用系统 (Liquefied natural gas cold energy cascade utilization system of liquefied natural gas power ship ) 是由 姚寿广 张旭 沈晓宇 肖民 杨宗明 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种液化天然气动力船液化天然气冷能梯级利用系统,该系统首先利用冷媒将-162℃至-140℃的LNG冷能用于氮气制备；之后利用两级朗肯循环将高压低温的LNG冷能转换为电能；随后将汽化后的天然气送入膨胀机直接膨胀发电；再利用单级朗肯循环将低压低温的LNG冷能转换为电能；最后利用冷媒将中冷部分的LNG冷能梯次回收用于船舶低温冷库循环系统、高温冷库循环系统和第二级空调循环系统供冷,该系统将LNG冷能进行合理梯级利用,提高冷能和冷<Image he="58" wi="54" file="DDA0002266577470000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>的综合利用效率,降低了船舶的营运成本。(The invention discloses a liquefied natural gas cold energy cascade utilization system of a liquefied natural gas power ship, which firstly utilizes a refrigerant to use LNG cold energy at-162 ℃ to-140 ℃ for nitrogen preparation; then, the high-pressure low-temperature LNG cold energy is converted into electric energy by utilizing a two-stage Rankine cycle; then the vaporized natural gas is sent into an expander to be directly expanded to generate power; the low-pressure and low-temperature LNG cold energy is converted into electric energy by using a single-stage Rankine cycle; and finally, the LNG cold energy of the intercooling part is recycled in steps by utilizing the refrigerant and is used for cooling the ship low-temperature refrigeration house circulating system, the high-temperature refrigeration house circulating system and the second-stage air-conditioning circulating system, and the system reasonably and stepwisely utilizes the LNG cold energy to improve the cold energy and cold energy The comprehensive utilization efficiency of the ship is improved, and the operating cost of the ship is reduced.)

一种液化天然气动力船液化天然气冷能梯级利用系统

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，具体是一种液化天然气动力船液化天然气冷能梯级利用系统。

背景技术

近年来，我国液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)产量与进口量大幅增长，2017年我国工厂LNG的年产量比五年前增长了187.45％，LNG的进口量比五年前增长了116％，LNG的总供应量比五年前增长了122％，而2017我国天然气消费量比五年前仅增长了39.2％，2017年LNG在天然气总消费量中的占比却增长了59.3％，这样的增长势头还在继续。

LNG主要成分为甲烷，无色、无味、无毒且无腐蚀性，常压、温度为-163℃的液态LNG中还有巨大的冷能，为830～860kJ/kg[6]，在LNG远洋运输过程中，LNG船舶主机通常也会使用部分LNG，但是并不是将LNG直接接入主机中燃烧，通常是将LNG加温汽化为25℃的常温天然气(NG)之后通入主机进行燃烧。

对于送入主机的LNG燃料的处理，现LNG动力船上多采用强制汽化的方式，例如与海水换热的方式，使液态低温的LNG汽化并升温至主机进气要求温度，因此，这部分LNG的冷量并没有得到合理的利用，造成能源浪费，还会对生态环境造成污染。

此外，船舶上存在较多的冷能需求场所，例如船舶冷库、空调、海水淡化系统等，主要依靠压缩机制冷，耗费电能较多，采用LNG冷能替代传统制冷方式，可以在节约大量电能，降低运营费用。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的不足,本发明提供了一种液化天然气动力船液化天然气冷能梯级利用系统，该系统将LNG冷能进行合理梯级利用，提高冷能和冷

的综合利用效率，降低了船舶的营运成本。

作为本发明的进一步优选，本发明所述的一种液化天然气动力船液化天然气冷能梯级利用系统，该系统包括以下实施步骤：首先利用冷媒将-162℃至-140℃的LNG冷能用于氮气制备；之后利用两级朗肯循环将高压低温的LNG冷能转换为电能；随后将汽化后的天然气送入膨胀机直接膨胀发电；再利用单级朗肯循环将低压低温的LNG冷能转换为电能；然后利用冷媒将中冷部分的LNG冷能梯次回收用于船舶低温冷库循环系统、高温冷库循环系统和第二级空调循环系统供冷。

作为本发明的进一步优选，本发明所述的一种液化天然气动力船液化天然气冷能梯级利用系统的具体实施步骤如下：

步骤一：LNG冷能首先用于氮气制备循环

将常压的液化天然气加压至4MPa～5MPa，温度为-161℃～-160℃，之后送入氮气制备循环的LNG换热器与氮气制备循环工质进行换热；

步骤二：两级朗肯循环发电系统置于氮气制备循环末端

经过氮气制备循环初步利用后的LNG的温度为-140℃～-135℃，送入两级朗肯循环发电系统中的一级朗肯循环的冷凝器，一级朗肯循环工质先吸收部分海水淡化系统热量，再吸收二级朗肯循环工质热量发生汽化，经过膨胀机做功后由液化天然气冷却液化，所述的二级朗肯循环工质先吸收第一级空调系统热量，再吸收部分主机缸套水余热发生汽化，经过膨胀机做功后由一级朗肯循环工质冷却液化；

步骤三：LNG膨胀机置于两级朗肯循环发电系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统后的天然气，温度为-57℃，送入膨胀机进行直接膨胀做功；

步骤四：单级朗肯循环发电系统置于LNG膨胀机末端

步骤四：单级朗肯循环发电系统置于LNG膨胀机末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机直接膨胀做功后的天然气，压力为0.7Mpa～1Mpa，温度为-115℃～-120℃，送入单级朗肯循环的冷凝器，单级朗肯循环工质先吸收部分海水淡化系统热量，再吸收部分主机缸套水余热发生汽化，经过膨胀机做功后由天然气冷却液化；

步骤五：海水淡化系统嵌套于两级朗肯循环发电系统和单级朗肯循环系统内部

海水淡化系统冷媒经过海水淡化设备换热后温度为-15℃～-10℃，经过分流阀后一部分冷媒送入两级朗肯循环发电系统中一级朗肯循环回热器与一级朗肯循环工质进行换热，温度降至-90℃～-85℃，另一部分冷媒送入单级朗肯循环发电系统的回热器与单级朗肯循环工质进行换热，温度降至-75℃～-70℃，两股冷媒经过降温后通过混合器混合，混合后的冷媒温度为-83℃～-80℃，经过海水淡化的冷媒泵推动进入海水淡化设备进行换热；

步骤六：第一级空调系统嵌套于两级朗肯循环发电系统内部

空调系统冷媒与外界环境换热后温度为10℃～20℃，送入两级朗肯循环发电系统中二级朗肯循环回热器与二级朗肯循环工质进行换热，温度降至-10℃～-8℃，经过第一级空调系统的冷媒泵推动与外界环境进行换热；

步骤七：低温冷库系统置于单级朗肯循环发电系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机直接膨胀做功、单级朗肯循环发电系统利用后的天然气的温度为-40℃～-38℃左右，送入低温冷库系统进行供冷，经天然气冷却后的冷媒，温度为-37℃～-35℃，经低温冷库系统的冷媒泵推动与外界环境进行换热，温度升高至-20℃～-15℃，再吸收冷量，进行下一循环制冷；

步骤八：高温冷库系统置于低温冷库系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机直接膨胀做功、单级朗肯循环发电系统，低温冷库系统利用后的天然气的温度为-24℃～-20℃，送入高温冷库系统进行供冷，经天然气冷却后的冷媒，温度为-20℃～-15℃，经高温冷库系统的冷媒泵推动与外界环境进行换热，温度升高至-9℃再吸收冷量，进行下一循环制冷；

步骤九：第二级空调系统置于高温冷库系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机直接膨胀做功、单级朗肯循环发电系统、低温冷库系统和高温冷库系统利用后的天然气，温度为-14℃～-10℃，送入第二级空调系统进行供冷，经天然气冷却液化的冷媒的温度为-9℃～-5℃，经第二级空调系统的冷媒泵推动与外界环境换热汽化，温度升高至20℃～22℃，再吸收冷量，进行下一循环制冷；

步骤十：天然气温度调节换热器置于第二级空调系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机直接膨胀做功、单级朗肯循环发电系统、低温冷库系统、高温冷库系统和第二级空调系统利用后的天然气，温度为12℃～15℃，将天然气送入缸套水换热器与部分主机缸套水换热，换热后的天然气温度升高至25℃～28℃，送入主机进行燃烧。

作为本发明的进一步优选，步骤六和步骤九中所述的空调系统所需制冷量大小和具体船型的LNG流量相适配。

作为本发明的进一步优选，所述的空调系统制冷量的大小通过调节阀门的开启程度或关闭来实现。

作为本发明的进一步优选，在步骤五中所述的海水淡化系统所需制冷量大小和具体船型的LNG流量相对应。

作为本发明的进一步优选，当回热器带出的冷量满足海水淡化所需制冷量时，阀门C与阀门D部分开启，阀门A与阀门B完全关闭，通过调节阀门C与阀门D的开度来控制海水淡化系统所需的制冷量；

当回热器带出的冷量不能满足海水淡化所需制冷量时，阀门C与阀门D完全开启，阀门A与阀门B部分开启，通过调节阀门A与阀门B的开度，满足海水淡化系统所需的制冷量。

作为本发明的进一步优选，所述的两级朗肯发电循环系统中一级朗肯循环工质为R1150与甲烷的混合工质。

作为本发明的进一步优选，所述的混合工质的质量比例为43:57。

作为本发明的进一步优选，所述的两级朗肯发电循环系统中二级朗肯循环工质为R1150与乙烷的混合工质。

作为本发明的进一步优选，所述的混合工质的质量比例为60:40。

作为本发明的进一步优选，所述的单级朗肯发电循环系统中朗肯循环工质为R1150与R1270的混合工质。

作为本发明的进一步优选，所述的混合工质的质量比例为52:48。

作为本发明的进一步优选，所述的氮气制备系统的冷媒为R1150。

作为本发明的进一步优选，所述的海水淡化系统、第一级空调系统、低温冷库系统、高温冷库系统冷媒均为R600。

作为本发明的进一步优选，所述的第二级空调系统冷媒为R410a。

作为本发明的进一步优选，通过利用回热器通过冷媒将两级朗肯循环中的一级朗肯循环工质冷能及单级朗肯循环工质冷能引出部分用于船舶海水淡化循环系统供冷，利用回热器通过冷媒将两级朗肯循环中的二级朗肯循环工质冷能引出部分用于船舶第一级空调循环系统供冷。

有益效果：本发明所述的一种液化天然气动力船液化天然气冷能梯级利用系统，通过将送入主机的燃料冷能梯级利用于氮气制备系统、船舶发电、海水淡化系统、船舶低温冷库循环系统、船舶高温冷库循环系统和船舶空调循环系统后，经过天然气温度调节换热器使天然气达到主机进气要求温度25℃，送入主机燃烧，该系统将LNG冷能进行合理梯级利用，提高冷能和冷

的综合利用效率，降低了船舶的营运成本，同时，该方法在利用船舶主机缸套水余热的基础上，可根据不同船型的电力、氮气、淡水、冷库和空调模块的具体需求，以及不同时空条件下的具体工况，通过增减各系统的负荷和调节嵌套系统的阀门，使有限的LNG冷能在不同船型上都能得到较大程度的合理分配利用。

附图说明

图1为本发明的工作流程示意图；

其中：1-液化天然气泵；2-液化天然气流量调节阀；3，4，6，7，8，9-LNG换热器；10-天然气温度调节换热器；11-氮气制备系统冷媒泵；13-氮气制备系统换热器；14，19，24-发电工质泵；16，21，26-回热器；17-两级朗肯循环中间换热器；22,27-发电工质蒸发器；5，18，23，28-膨胀机；29-海水淡化系统冷媒混合器；30-海水淡化系统冷媒泵；32-海水淡化系统换热器；33-海水淡化系统冷媒分流阀；34-低温冷库冷媒泵；36-低温冷库换热器；37-高温冷库冷媒泵；39-高温冷库换热器；40-第二级空调系统冷媒泵；42-第二级空调系统冷媒蒸发器；43-第一级空调系统冷媒泵；45-第一级空调系统换热器；12,15,20,25,31,35,38,41,44-阀门；46-阀门A；47-阀门B；48-阀门C；49-阀门D。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如图1所示，本发明所述的一种液化天然气动力船液化天然气冷能梯级利用系统，该系统包括以下实施步骤：首先利用冷媒将-162℃至-140℃的LNG冷能用于氮气制备；之后利用两级朗肯循环将高压低温的LNG冷能转换为电能；随后将汽化后的天然气送入膨胀机直接膨胀发电；再利用单级朗肯循环将低压低温的LNG冷能转换为电能；然后利用冷媒将中冷部分的LNG冷能梯次回收用于船舶低温冷库循环系统、高温冷库循环系统和第二级空调循环系统供冷。

实施例1

步骤一：LNG冷能首先用于氮气制备循环

将常压的液化天然气加压至4MPa，温度为-161℃，之后送入氮气制备循环LNG换热器3与氮气制备循环工质进行换热；

步骤二：两级朗肯循环发电系统置于氮气制备循环末端

经过氮气制备循环初步利用后的LNG的温度为-140℃，送入两级朗肯循环发电系统中的一级朗肯循环的冷凝器4，一级朗肯循环工质先吸收部分海水淡化系统热量，再吸收二级朗肯循环工质热量发生汽化，经过膨胀机18做功后由液化天然气冷却液化，所述的二级朗肯循环工质先吸收第一级空调系统热量，再吸收部分主机缸套水余热发生汽化，经过膨胀机23做功后由一级朗肯循环工质冷却液化；

步骤三：LNG膨胀机置于两级朗肯循环发电系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统后的天然气，温度为-57℃，送入膨胀机5进行直接膨胀做功；

步骤四：单级朗肯循环发电系统置于LNG膨胀机末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机5直接膨胀做功后的天然气，压力为0.7MPa，温度为-115℃，送入单级朗肯循环的冷凝器6，单级朗肯循环工质先吸收部分海水淡化系统热量，再吸收部分主机缸套水余热发生汽化，经过膨胀机28做功后由天然气冷却液化；

步骤五：海水淡化系统嵌套于两级朗肯循环发电系统和单级朗肯循环系统内部

海水淡化系统冷媒经过海水淡化设备换热后温度为-15℃，经过分流阀33后一部分冷媒送入两级朗肯循环发电系统中一级朗肯循环回热器16与一级朗肯循环工质进行换热，温度降至-90℃，另一部分冷媒送入单级朗肯循环发电系统的回热器27与单级朗肯循环工质进行换热，温度降至-75℃，两股冷媒经过降温后通过混合器29混合，混合后的冷媒温度为-83℃，经过海水淡化系统的冷媒泵30推动进入海水淡化设备进行换热；

步骤六：第一级空调系统嵌套于两级朗肯循环发电系统内部

空调系统冷媒与外界环境换热后温度为10℃，送入两级朗肯循环发电系统中二级朗肯循环回热器21与二级朗肯循环工质进行换热，温度降至-10℃，经过第一级空调系统的冷媒泵推动与外界环境进行换热；

步骤七：低温冷库系统置于单级朗肯循环发电系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机5直接膨胀做功、单级朗肯循环发电系统利用后的天然气的温度为-40℃左右，送入低温冷库系统进行供冷，经天然气冷却后的冷媒，温度为-37℃，经低温冷库系统的冷媒泵34推动与外界环境进行换热，温度升高至-20℃，再吸收冷量，进行下一循环制冷；

步骤八：高温冷库系统置于低温冷库系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机5直接膨胀做功、单级朗肯循环发电系统，低温冷库系统利用后的天然气的温度为-24℃，送入高温冷库系统进行供冷，经天然气冷却后的冷媒，温度为-20℃，经高温冷库系统的冷媒泵37推动与外界环境进行换热，温度升高至-9℃再吸收冷量，进行下一循环制冷；

步骤九：第二级空调系统置于高温冷库系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机5直接膨胀做功、单级朗肯循环发电系统、低温冷库系统和高温冷库系统利用后的天然气，温度为-14℃，送入第二级空调系统进行供冷，经天然气冷却液化的冷媒的温度为-9℃，经第二级空调系统的冷媒泵40推动与外界环境换热汽化，温度升高至20℃，再吸收冷量，进行下一循环制冷；

步骤十：天然气温度调节换热器置于第二级空调系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机5直接膨胀做功、单级朗肯循环发电系统、低温冷库系统、高温冷库系统和第二级空调系统利用后的天然气，温度为12℃，将天然气送入缸套水换热器10与部分主机缸套水换热，换热后的天然气温度升高至25℃，送入主机进行燃烧。

实施例2

步骤一：LNG冷能首先用于氮气制备循环

将常压的液化天然气加压至5MPa，温度为-160℃，之后送入氮气制备循环的LNG换热器3与氮气制备循环工质进行换热；

步骤二：两级朗肯循环发电系统置于氮气制备循环末端

经过氮气制备循环初步利用后的LNG的温度为-135℃，送入两级朗肯循环发电系统中的一级朗肯循环的冷凝器4，一级朗肯循环工质先吸收部分海水淡化系统热量，再吸收二级朗肯循环工质热量发生汽化，经过膨胀机18做功后由液化天然气冷却液化，所述的二级朗肯循环工质先吸收第一级空调系统热量，再吸收部分主机缸套水余热发生汽化，经过膨胀机23做功后由一级朗肯循环工质冷却液化；

步骤三：LNG膨胀机置于两级朗肯循环发电系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统后的天然气，温度为-55℃，送入膨胀机5进行直接膨胀做功；

步骤四：单级朗肯循环发电系统置于LNG膨胀机末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机直接膨胀做功后的天然气，压力为1Mpa，温度为-120℃，送入单级朗肯循环的冷凝器6，单级朗肯循环工质先吸收部分海水淡化系统热量，再吸收部分主机缸套水余热发生汽化，经过膨胀机28做功后由天然气冷却液化；

步骤五：海水淡化系统嵌套于两级朗肯循环发电系统和单级朗肯循环系统内部

海水淡化系统冷媒经过海水淡化设备32换热后温度为-10℃，经过分流阀33后一部分冷媒送入两级朗肯循环发电系统中一级朗肯循环回热器16与一级朗肯循环工质进行换热，温度降至-85℃，另一部分冷媒送入单级朗肯循环发电系统的回热器26与单级朗肯循环工质进行换热，温度降至-70℃，两股冷媒经过降温后通过混合器29混合，混合后的冷媒温度为-80℃，经过海水淡化系统的冷媒泵30推动进入海水淡化设备进行换热；

步骤六：第一级空调系统嵌套于两级朗肯循环发电系统内部

空调系统冷媒与外界环境换热后温度为20℃，送入两级朗肯循环发电系统中二级朗肯循环回热器21与二级朗肯循环工质进行换热，温度降至-8℃，经过第一级空调系统的冷媒泵43推动与外界环境进行换热；

步骤七：低温冷库系统置于单级朗肯循环发电系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机5直接膨胀做功、单级朗肯循环发电系统利用后的天然气的温度为-38℃左右，送入低温冷库系统进行供冷，经天然气冷却后的冷媒，温度为-35℃，经低温冷库系统的冷媒泵34推动与外界环境进行换热，温度升高至-15℃，再吸收冷量，进行下一循环制冷；

步骤八：高温冷库系统置于低温冷库系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机5直接膨胀做功、单级朗肯循环发电系统，低温冷库系统利用后的天然气的温度为-20℃，送入高温冷库系统进行供冷，经天然气冷却后的冷媒，温度为-15℃，经高温冷库系统的冷媒泵37推动与外界环境进行换热，温度升高至-9℃再吸收冷量，进行下一循环制冷；

步骤九：第二级空调系统置于高温冷库系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机5直接膨胀做功、单级朗肯循环发电系统、低温冷库系统和高温冷库系统利用后的天然气，温度为-10℃，送入第二级空调系统进行供冷，经天然气冷却液化的冷媒的温度为-5℃，经第二级空调系统的冷媒泵40推动与外界环境换热汽化，温度升高至22℃，再吸收冷量，进行下一循环制冷；

步骤十：天然气温度调节换热器置于第二级空调系统末端

经过氮气制备系统、两级朗肯循环发电系统、LNG膨胀机5直接膨胀做功、单级朗肯循环发电系统、低温冷库系统、高温冷库系统和第二级空调系统利用后的天然气，温度为15℃，将天然气送入缸套水换热器10与部分主机缸套水换热，换热后的天然气温度升高至28℃，送入主机进行燃烧。

本发明在利用船舶主机缸套水余热的基础上，可根据不同船型的电力、氮气、淡水、冷库和空调模块的具体需求，以及不同时空条件下的具体工况，通过增减各系统的负荷和调节嵌套系统的阀门，使有限的LNG冷能在不同船型上都能得到较大程度的合理分配利用。